邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析方法在三峽庫區(qū)的應用

華小軍,樊啟祥,尚毅梓,程 建,張玉柱,劉志武

(1.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002; 2.中國長江三峽集團公司,北京 100038)

我國建成運行的高壩大庫多位于岸坡陡峻、構(gòu)造復雜、巖體破碎、軟弱地層發(fā)育、崩滑災害體廣布等地質(zhì)環(huán)境極脆弱的地帶。由于防洪、發(fā)電等要求,水庫水位變動頻繁,改變了庫區(qū)邊坡的水文地質(zhì)環(huán)境,加劇了滑坡等地質(zhì)災害風險[1-3],反過來也制約了水庫綜合效益的發(fā)揮。以三峽為例,根據(jù)2009年7月湖北省、重慶市庫區(qū)26個區(qū)縣政府上報統(tǒng)計資料及國土資源部門調(diào)查,崩塌、滑坡共5 386處,其中涉水的崩塌、滑坡1 945處,不涉水的崩塌、滑坡3 441處[4]。因此,研究三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

目前,對水庫邊坡穩(wěn)定性問題的研究已經(jīng)較多。胡鐵松等[5]提出了滑坡預測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法,并將該方法應用于清江隔河巖庫區(qū)兩個主要滑坡的預測,預測結(jié)果表明了該方法的有效性以及在滑坡預測中的良好應用前景;賈官偉等[6]利用圖像動態(tài)采集系統(tǒng)記錄了水位驟降引致滑坡的發(fā)生、發(fā)展過程和滑坡模式,為探討邊坡失穩(wěn)原因和失穩(wěn)模式提供了依據(jù);蔣秀玲等[7]采用Morgenstern-Price法對滑坡穩(wěn)定性進行計算,對三峽水庫水位變動下的庫岸滑坡穩(wěn)定性進行了評價;向杰等[8]研究了三峽水庫蓄水誘發(fā)神女峰庫岸破壞機制,并簡述了在庫水位變化情況下,岸坡穩(wěn)定性分析的計算方法;韓凌風等[9]研究了庫水位升降作用下庫岸邊坡滲流特征,分析了該庫岸邊坡的孔隙水壓力變化特征和滲流速度動態(tài)變化規(guī)律,為滲流與變形耦合分析提供了依據(jù);鄧華鋒等[10]提出了對庫岸邊坡分段的分析方法,從力學機理上較好的解釋了庫岸邊坡在水位上升或下降過程中安全系數(shù)先減小后增大的原因;段永祥等[11]進行了庫岸滑坡穩(wěn)定性物理模擬研究,試驗結(jié)果表明水庫水位升降對滑坡前緣涉水部分影響較大,對中部和后緣影響較小,降雨對滑坡前緣、中部、后緣影響相對顯著;張嘎[12]提出了巖土域的概念,認為相鄰邊坡體的特性和變化規(guī)律具有相關(guān)性和相似性,在此基礎上構(gòu)建了邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析概念性模型。

以上研究大多針對整個邊坡的定性評價或特定邊坡的定量分析,缺乏對邊坡整體安全性的定量分析,且對庫區(qū)邊坡群地質(zhì)資料、水文信息等數(shù)據(jù)缺乏時的研究較少。本文基于張嘎建立的邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析概念性模型,提出一種庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性分析方法。以三峽庫區(qū)一個典型邊坡群為實例,基于“實時反饋響應、同步修正模型”的思路,對該方法的有效性進行驗證和分析。

1 三峽庫區(qū)滑坡體概況

所研究的邊坡為三峽庫區(qū)某滑坡體(圖1),該滑坡體三維幾何計算模型由滑坡體、軟弱帶和基巖3部分組成,在平面上取包圍滑坡體的大約1 240 m×1 000 m的區(qū)域。有研究表明[13],從2004年1月15日起該滑坡體開始蠕動變形,進入滑坡發(fā)展階段,在2007年7月期間,局部地區(qū)的滑坡形變達到最大30 cm。在2009年5月至8月期間由于降雨影響和庫水位下降，該滑坡體發(fā)生了規(guī)模較大的形變,一些觀測點的數(shù)據(jù)表明位移量在50～550 mm之間,滑坡體往北方向滑移,局部存在偏西或者偏東方向的調(diào)整,滑坡引起的裂縫在滑坡體上隨處可見。

圖1 三峽庫區(qū)某滑坡體30 m分辨率DEM圖

前期沒有對該滑坡體進行勘察,信息缺乏,地質(zhì)資料、水文信息等相關(guān)計算參數(shù)都沒有提取到。這些資料需要聯(lián)系當?shù)貒临Y源局獲取,有一定的難度,而三峽庫區(qū)滑坡體資料本身也屬于敏感信息,故根據(jù)衛(wèi)星遙感信息圖,找到一幅滑坡前的數(shù)字高程模型。運用ArcGis遙感信息技術(shù)軟件對DEM原始數(shù)據(jù)進行處理,提取滑坡體的等高線和剖面信息,可以獲取滑坡體的形態(tài)信息見圖2。

圖2 三峽庫區(qū)某滑坡體地形地貌

2 庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析方法

2.1 巖土域相似性原理

庫區(qū)邊坡群具有相似的地質(zhì)條件和外部環(huán)境,雖然每個邊坡體的幾何特征、土層構(gòu)成及特性等要素有所不同,但也存在著明顯的共同屬性。如各邊坡體的地質(zhì)構(gòu)造與形成過程相似,因此其力學特性、滲透特性具有相關(guān)性，應力歷史具有相似性;各邊坡體的邊界條件具有宏觀一致性,其外水位、外荷載(如地震等)等具有相等或者相似的性質(zhì);各邊坡體的變形破壞規(guī)律也有相似性。這些相關(guān)性使得庫區(qū)內(nèi)一個邊坡體的數(shù)據(jù)信息對其他邊坡體具有參考意義,因此將處于同一地域、具有內(nèi)在聯(lián)系的多個巖土體(如邊坡等)構(gòu)成的系統(tǒng)稱為巖土域。

2.2 耦聯(lián)分析概念性模型

巖土域耦聯(lián)分析概念性模型結(jié)構(gòu)見圖3。該模型包括輸入層、模型層、計算層和響應層4個層。其中,輸入層用于收集多源數(shù)據(jù)和確定邊界條件和參數(shù)等,并傳遞到模型層;模型層用于建立單個巖土體的分析模型和相互間的耦聯(lián)關(guān)系;計算層用于多源數(shù)據(jù)的挖掘和分析,以及巖土域和所含巖土體分析模型的求解;響應層用于匯總各巖土體的響應及其耦聯(lián)特性,并與輸入層進行交互。

圖3 巖土域耦聯(lián)分析概念性模型

巖土域耦聯(lián)分析概念性模型具有如下主要特點:①模型以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主,一旦有新的數(shù)據(jù)進入響應層或者輸入層,分析過程就將啟動,而傳統(tǒng)方法是過程驅(qū)動;②模型具有開放性,各巖土體的模型和響應相互獨立;③模型結(jié)果是定量的,而不是概率和可靠度分析;④數(shù)據(jù)和參數(shù)是多源的和靈活的。

2.3 庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析步驟

a. 輸入層。輸入滑坡體初始滑坡剖面的參數(shù)和水位。容重和強度參數(shù)采用取樣試驗與工程類比后的參數(shù),水位根據(jù)水庫蓄水情況變化。

b. 模型層。采用簡化Bishop條分法建立邊坡穩(wěn)定性的分析模型,計算公式見式(1)(2),將滑坡體初始滑坡剖面實際滑坡形態(tài)導入耦聯(lián)分析模型。

(1)

(2)

式中:Fs為邊坡的安全系數(shù);下標i為土條序號;b為土條的寬度;W和α分別為土條的重量和傾角;c和φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Mc(γ)和Mφ(γ)分別為黏聚力折減系數(shù)和摩擦力折減系數(shù);γ為土條的浮容重;mαi為抗滑力矩。

c. 計算層。運用數(shù)據(jù)挖掘、極限平衡法等分析方法進行迭代計算,反算得出滑坡體達到極限平衡時的參數(shù)。

d. 響應層 運用上一步得出的參數(shù)對滑坡面進行預測推算,如果得出的滑坡形態(tài)與實際滑坡形態(tài)不符合則自動調(diào)整參數(shù)重新迭代計算,直至符合為止,此時的參數(shù)作為最終的計算參數(shù),運用這些參數(shù)對滑坡體其他可能滑坡剖面進行安全分析,得出每個剖面的安全系數(shù)。

3 計算結(jié)果與分析

根據(jù)工程經(jīng)驗和現(xiàn)場蠕動變形痕跡,對滑坡體的各個可能滑坡方向進行標記,劃分9個斷面進行計算分析,如圖4所示。由于滑坡體的初始滑裂面和變形體位置在剖面8處,故選取剖面8為計算基準剖面。

圖4 三峽某滑坡體選取斷面標記

將剖面8實際滑坡形態(tài)導入耦聯(lián)分析模型,模型運用極限平衡分析方法進行迭代計算,反算得出滑坡體達到極限平衡時的參數(shù)。運用此參數(shù)對滑坡面進行預測推算,如果得出的滑坡形態(tài)與實際滑坡形態(tài)不符合則自動調(diào)整參數(shù)重新迭代計算,直至符合為止,得出主要計算參數(shù):土層容重為10 kN/m3,黏聚強度為28 kPa,內(nèi)摩擦角為25°。剖面8的安全系數(shù)為1.126,計算出的剖面8滑坡形態(tài)見圖5。

圖5 耦聯(lián)分析模型模擬的剖面8滑坡形態(tài)

將圖5與Wang等[14]的實測結(jié)果進行對比可知運用耦聯(lián)分析模型得出的滑坡形態(tài)與該滑坡體的實際滑坡形態(tài)基本一致,可得出最終的計算參數(shù)。運用最終的計算參數(shù)對其他可能滑坡剖面進行安全分析計算,剖面1～7和剖面9的安全系數(shù)計算結(jié)果分別為0.828、1.276、0.906、2.204、1.144、1.252、1.194、1.064,耦聯(lián)分析模型計算出的剖面1滑坡形態(tài)見圖6,其他類似。

圖6 耦聯(lián)分析模型模擬的剖面1滑坡形態(tài)

計算結(jié)果顯示,最危險的剖面為剖面1、剖面3、剖面5、剖面9,其中剖面1、剖面3為欠穩(wěn)定狀態(tài)(本次計算將安全系數(shù)小于1.15視為潛在危險滑裂面),預測的主要滑坡趨勢集中在北北方向,如圖7所示。實際滑坡位移矢量圖見圖8。整體上看,滑坡體作近北方向滑移,局部地區(qū)移動方向有偏西或者偏東的調(diào)整,平均位移在30 cm左右?；麦w的頭部區(qū)域是位移量相對較大的區(qū)域,箭頭方向顯示這個區(qū)域從東南向西北方向順山坡從高處向低處滑移,最大位移接近70 cm。坡體的運動方向在靠近長江的舌部順著地勢發(fā)生改變,西邊沿北北西滑動,東邊沿北北東滑動。這個形變場特征和該滑坡體的地形特征吻合甚好,位移大小和方向與李小凡等[13]對滑坡體的野外觀測結(jié)果基本吻合,預測的主要滑坡趨勢軌跡方向與實際趨勢形態(tài)吻合良好。

圖7 預測滑坡趨勢標記

圖8 實際滑坡位移矢量圖

4 結(jié) 語

基于提出的巖土域概念,將巖土體分析擴展到巖土域分析,通過利用其他巖土體數(shù)據(jù),采用耦聯(lián)分析、大數(shù)據(jù)挖掘等手段提高了邊坡穩(wěn)定的分析精度。

提出了一種庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性分析方法,以三峽庫區(qū)一個典型邊坡群為實例,在邊坡群資料不全、信息缺乏的情況下,利用遙感信息技術(shù)提取相關(guān)特性,計算了該邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明預測的滑坡體位移大小和方向與野外觀測結(jié)果基本吻合,預測的主要滑坡趨勢軌跡方向與實際趨勢形態(tài)吻合良好,驗證了本文方法的有效性。

本文只對水位固定狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性進行了定量分析,后期可以將此耦聯(lián)模型應用于水位變化條件下的邊坡穩(wěn)定性耦聯(lián)過程分析。